毕设论文草稿-manuscript01 修复的

1、TM30110590分类号UDC学校代码密级621公开深圳大学硕士学位论文基于线控全轮转向驱动协调的轮毂电动汽车操控稳定性控制研究池 成学 位类别工程硕士专业学位专 业名称交通运输工程学院（系、所）机电与控制工程学院指导教 师徐刚教授深圳大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明： 所呈交的学位论文 永磁同步电机非线性模型实时系统的建立与半物理仿真 是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。论

2、文作者签名：日期：年 月 日学位论文使用授权说明（必须装订在印刷本首页）本学位论文作者完全了解深圳大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属深圳大学。学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其他机构送交论文的电子版和纸质版，允许论文被查阅和借阅。本人授权深圳大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（涉密学位论文在后适用本授权书）论文作者签名：导师签名：日期：年 月日日期：年 月日永磁同步电机非线性模型实时系统的建立与半物理仿真 摘 要 迫于环境和能源的双重压力，电动汽车成为当前

3、的必然趋势。当前，传统集中式驱动燃油车动力源的电机化改造已取得阶段性成果。显然，这种对传统车辆结构的简单继承，除电机外特性曲线有所改善外，车辆驱动方式并未发生实质性改变，整车控制效果改善较为有限。相比之下，采用分布式独立驱动、转向的轮毂电机驱动电动汽车（下称轮毂电动汽车），各轮转向角、驱动力矩独立控制。分布式驱动从根本上改变了底盘的牵引控制方式，为车辆运动和控制带来全新可能，在主动安全性和动力学品质上更具优势，因此被业界誉为汽车的终极驱动形式。然而，这种结构和动力学特征的性改变，也使得整车操控稳定性成为一个全新的问题。 轮毂电动汽车各轮之间缺乏确定约束，由此产生的差动转向效应会产生横摆力矩干扰

4、，致使当前主流的基于DYC稳定性控制系统失效。本文依托于国家自然科学基金资助项目（51577120）“基于隐马尔可夫的全线控轮毂电动汽车操控稳定性关键问题研究”，和深圳市基础研究资助项目（JCYJ20170302142107025）“全轮转向轮毂电动起汽车节能与操纵稳定性关键问题研究”，开展了线控四轮电动汽车全轮转向和全轮驱动协调控制研究，主要处理了轮毂电动车转向系和驱动系因结构属性模糊带来的耦合作用，并在此基础上初步实现了汽车的操控稳定性控制。围绕着上述研究目的，主要开展了以下工作： （1） 四轮轮毂电动汽车实车试验平台搭建 从四轮独立转向、四轮独立驱动、四轮独立制动全线控（X-by-Wir

5、e，简称XBW）电动汽车试验平台的功能需求进行分析，并结合课题组研究需求，设计、确定了试验平台整体结构方案，为了解决传统转向悬架系统与电动轮的失配问题，提出了一种提出并设计一种全新的中心转向悬架系统，并给出了转向悬架系统动力学特性理论分析，在此基础完成整车的机械设计、加工、装配和调试工作。同时，基于ADAMS/view建立试样平台的整车虚拟样机，并对标传统汽车在CarSim环境下，完成试验平台的稳定性分析。 （2） XBW轮毂电动车仿真平台开发 I 永磁同步电机非线性模型实时系统的建立与半物理仿真 仿真平台开发主要包括轮毂电车动力学建模抽象、执行器动力学建模和仿真平台结构的模块化设计。对针对当

6、前研究不足，在MATLAB/Simulink下建立了19自自由度非线性时变耦合轮毂电动汽车汽车模型，其中包含车身6自由度、悬架系统4个垂向自由度，线控转向系统4个自由度，驱动系统4个自由度以及方向盘转动自由度。考虑到对开展执行器动态响应特性对整车稳定性的影响的需求，在执行器参数进行离线辨识的基础上，建立包含非线性复杂实时轮毂电机模型、转向电机模型、电磁制动器模型。此外，考虑到后期大量控制算法验证对系统模块拓展研究需求，从系统功能出发对仿真平台进行了模块化设计，并在复杂多工况下完成仿真平台的有效性验证。 （3） 四轮转向驱动控制结构设计和驾驶监视 在分析XBW轮毂电动汽车稳定性问题的基础上，利用

7、各轮转矩/转角独立可控的优势，设计了分层集中式整车稳定性控制结构。双层控制结构降低车辆解耦控制难度，该结构能使整车稳定性控制算法以较高的集成度到达理论控制最优，同时在不改变系统结构的基础上，兼顾了后期的多目标的稳定性策略研究研究。鉴于对“人-车-路”控制的需求，在“预瞄-跟随” 理论基础上建立侧向加速度动态反馈矫正的驾驶员模型，并设计了预瞄时间的自适应策略。此外，从线性二自由度车辆模型出发，分析并设计车辆稳定动态可行域，完成了驾驶员操作行为监视和过滤，实现了控制算法的决策稳定性。 （4） 转向和转矩协调控制研究 该部分主要进行运动控制决策生成和执行器控制分配问题研究。运动控制层解决了过驱系统运

8、动协调控制问题，针对差动转向效应，文中建立三自由度动力学控制模型，以纵向车速、横摆角速度和质心侧偏角为追踪目标，基于滑膜变结构控制理论进行上层控制算法设计，优化整车控制广义力，消除执行器复用共生问题。在控制分配层则用于解决过驱系统的分配问题，将四轮转角和转矩8个独立参数作为控制变量，以优化各轮附着率提升整车稳定性控制裕度为目标，通过将轮胎椭圆约束线性化，将执行器约束和路面动态约束等边界条件转换成多不约束下QP极值问题，以提升算法的实时性。最后，通过构建逆轮胎模型，实现轮胎侧向力和纵向力的解耦，最终实现四个车轮转角和四轮转矩最优分配。 本文以汽车整车动力学控制为理论依据，以全轮主动转向与全轮驱动

9、协调集成控制为核心，进而研究线控轮毂电动车操纵稳定性闭环控制系统。在此目标下，主要实II 永磁同步电机非线性模型实时系统的建立与半物理仿真 现实车试验平台的有无问题、仿真平台的搭建、基于的DYC分层式集成控制策略和转矩/转角协调控制研究，为课题的后续研究做了最基础工作。 关键字：轮毂电动汽车；动力学模型；稳定性集成控制；转矩/转角协调控制滑膜变结构控制；最优控制分配III The establishment of PMSM real time system based on nonlinear model and semi physical simulationAbstractThe decr

10、ease of Traditional stock of fossil fuels and the environmental pollution problems caused by its use have become increasingly prominent, the electric car has great developmental prospects as a kind of ecological transportation in the development and use of new energy, and permanent magnet synchronou

11、s motor is the key technique of electric vehicles. The research of permanent magnet synchronous motor model is of great significance to the study of the PMSM parameter optimization and control algorithm. The main innovation of this paper is researching a nonlinear model of permanent magnet synchrono

12、us motor which is more accurate and closer to reality based on the traditional linear model of permanent magnet synchronous motor. The experiments is compared the simulation results of the traditional linear model and nonlinear model to verify the correctness and superiority of the nonlinear model t

13、hrough of MATLAB platform. On the LabWindows/ CVI platform, the model applied to control the real motor controller is the semi physical simulation. Finally, the model is compared with the real motor. The semi physical simulation of the project is close to the engineering practice, and the cost of th

14、e simulation is low.First of all, the paper expounds the production of permanent magnet synchronous motor nonlinear model, introduced the traditional mathematical model using coordinate transformation equivalent principle, further calculated flux linkage model of permanent magnet synchronous motor a

15、nd the realization of non-linear; then the paper introduces the technical principle of vector control and the mechanism of the waveform. Secondly, this paper introduces the hardware platform and the software platform of the permanent magnet synchronous motor real-time semi physical simulation, intro

16、duces the TI companys motor controller, NI company industrial PxLe 8102 and signal conditioning plate; the RT target machine and PC control program written by the motor model for real-time simulation software LabWindows/CVI. Simple introduced the motor vector control applications written by CCS. Fin

17、ally, twocontrasting results of linear and nonlinear model of permanent magnet synchronous motor inIV The establishment of PMSM real time system based on nonlinear model and semi physical simulationMATLAB non real time simulation are presented, which verify the correctness and superiority of the non

18、linear model. The results of real-time digital simulation of the motor and the access to the external real controller semi physical simulation are introduced in the LabWindows/CVI real-time simulation platform. This paper analyzes and verifies the feasibility of the permanent magnet synchronous moto

19、r by collecting and analyzing the output data of the permanent magnet synchronous motors nonlinear model and the real motor under the real motor control.In this paper, we provide a better platform in testing the research of kinds of controlalgorithm and controller of permanent magnet synchronous mot

20、or，provide a good and convenient environment for the production and developmentKey words: permanent magnet synchronous motor； Nonlinear mathematical model；Vectorcontrol；Semi physical simulation in real timeV 永磁同步电机非线性模型实时系统的建立与半物理仿真 目 录 摘 要IAbstractIV第 1 章 绪论81.1 课题研究背景及意义81.1.1 研究背景81.1.2 研究意义91.2

21、线控轮毂电动汽车国内外的研究概况101.3 课题相关研究内容概述111.3.1 XBW 轮毂电汽车仿真平台建模研究现状111.3.2 电动汽车操纵稳定性控制基础理论概况131.3.3 转矩和转角协调控制问题描述与现状141.3.4 稳定性控制结构策略研究现状161.4 主要内容和特色18第 2 章 全线控轮毂电动汽车试验平台搭建与分析202.1 全线控车实验平台整体结构设计202.2 中心转向悬架与驱动系统设计与分析212.2.1 中心转向悬架与驱动系统结构设计232.2.2 中心转向悬架与驱动系统力学分析252.3 全线控车试验平台操控稳定性分析292.3.1 试验平台虚拟样机和对标模型建模

22、292.3.2 试验平台虚拟样机仿真与分析302.4 小结37第 3 章XBW 轮毂电动汽车仿真平台开发383.1 XBW 轮毂电动汽车结构383.2 PC 机与 NI 工控错误!未定义书签。3.3 电机控制器错误!未定义书签。VI 永磁同步电机非线性模型实时系统的建立与半物理仿真 3.4 信号调理板错误!未定义书签。3.5 本章小结错误!未定义书签。第 4 章 半物理实时仿真软件系统的设计与实现674.1 电机半物理非线性模型仿真系统建立的实现方法674.2 RT 目标机编程764.2.1 RT 目标机中的实时同步电机模型774.2.2 实时网络通讯系统错误!未定义书签。4.2.3 RT 目

23、标机实时仿真定时775.2 基于 LabWindows/CVI 实时电机控制与非线性模型仿真785.2.1 全数字仿真785.2.2 半物理仿真795.3 半物理仿真实验结果分析815.3.1 数据测试平台与采集815.3.2 模型电机与真实电机数据对比分析835.4 本章小结错误!未定义书签。第 6 章 总结与展望886.1 全文总结886.2 研究展望89参考文献90致 谢93附件94 VII 永磁同步电机非线性模型实时系统的建立与半物理仿真 第 1 章 绪论1.1 课题研究背景及意义 1.1.1 研究背景 安全、节能与环保是汽车发展的方向和永恒主题，尤其在交通事故频发、世界能源紧张和环境

24、日益恶化的今天显得格外重要。电子化、智能化、电动化、可再生化是实现安全、舒适、节能、环保的有效措施和手段。电动汽车作为一种新型交通工具，在缓解能源，促进人类与环境的和谐发展等方面具有传统内燃机汽车不可比拟的优势。因此，发展新能源汽车产业对于推动产业结构调整、促进节能减排、加快经济发展方式转变具有重要意义。近年来，迫于能源与环境的双重压力，推动新能源汽车产业的快速发展已经成为全球各个国家推进交通能源战略转型的重要措施。特别是在国际金融后，为抢占新一轮经济增长的战略制高点，主要汽车工业发达国家纷纷加大对电动汽车的研发投入并且加强政策支持力度1,2。世界各个国家的汽车研究单位以及高校也纷纷关注纯电动

25、汽车的研究和开发，并且 取得了许多重大的研究成果。目前，站在中国工业2025转型升级的重要节点上，发展新能源汽车工业已成为“十三五”既定国家战略，并确立了以推广纯电驱动为主的跨越式技术发展路线。在此格局下，开展纯电动汽车基础技术研究，对实现我国汽车工业在新能源领域的弯道超车格外重要。当前，传统集中式驱动燃油车的电动化改造已取得阶段性成果，并相续有量产的混合动 力和纯电动汽车推出市场。此类电动汽车依赖集中式驱动结构，通过动力源电机化，并借助 差速器和分动器实现二轮或全轮驱动。显然，这种对传统车辆结构的简单继承，除电机外特 性曲线有所改善外，车辆驱动方式并未发生实质性改变，整车动力学品质和舒适性、

26、经济性、主动安全性等改善较为有限，未能充分体现电机驱动技术优势。相比之下，采用分布式独立 驱动、转向的轮毂电机驱动电动汽车（下称轮毂电动汽车），省略了传动系统，利用电机直接驱动车轮，各轮的运动状态相互独立，整车拥有更多的可控自由度。因此轮毂电动汽车的分布式驱动方式能从根本上具潜力的汽车技术。了汽车驱动方式，为汽车运动和控制带来全新可能，成为极8 永磁同步电机非线性模型实时系统的建立与半物理仿真 图1 分布式驱动轮毂电动汽车及其驱动单元1.1.2 研究意义 轮毂电动汽车采用电机直驱，能量传递环节少，能从根本上提高能源利用率，通过转矩的协调分配可实现节能控制；省略了传统汽车传动系统，增大了乘坐空间

27、，简化了整车结构可实现底盘灵活布局，对汽车整备质量轻量化贡献较大，可显著减低制造成本，并进一步增加电动汽车续驶里程；车辆具有更多可控自由度，各执行器运动相对独立，执行器出了本职工作外亦可兼做整车闭环反馈单元，用于诸如路面附着系数、车速、车轮侧偏角的实时观测中，能减少了对额外传感器和执行器的依赖；线控系统结构破除了传统系统间的约束，通过各大执行器的组合优化，便于实现SBW、SBB、SBD、TCS、DYC、ASR、ESP、AFS等主动安 全技术的集成控制，能显著增强极限工况下车辆稳定性储备裕度，从而使车辆拥有更佳的主动安全性。因此，业界亦将轮毂电车称之为电动汽车的终极驱动形式3。目前，轮毂电动汽车

28、尚处在研发中，国内外许多高校企业都投入了大量精力，也取得许 多喜人的研究成果，但是其距离实际量产依旧还存在许多关键技术难题，其中最为迫切的是 轮毂电动汽车操控稳定性研究，其作为基础是其他关键技术研究的前提，故而更具迫切性。 车辆的操纵稳定性是指在驾驶员尽量舒适状态下，车辆能遵循驾驶员意图行驶的能力，且当遭遇外界干扰时，车辆能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力4，主要强调车辆对侧向动力控 制，它是决定极限转向等情况下车辆安全性能的主要因素，也是车辆动力学品质最基本的保 证，因此稳定性控制是车辆动力学控制的核心内容。由于采用分布式驱动，轮毂电动汽车各执行机构间不存在确定的机械约束，因此整车牵 引控制效果

29、依赖于各执行机构的协调，其结构形式与传统汽车相差巨大。虽放宽了对控制系 统设计的限制，却对控制系统提出了更高的要求。主要差异表现在四轮独立转向、四轮独立驱动、四轮独立制动的轮毂电动车是过驱系统，需要对四个独立驱动、独立转向的车轮进行9 永磁同步电机非线性模型实时系统的建立与半物理仿真 转矩分配和转角控制，以满足对车辆横摆角速度、质心侧偏角、纵向速度等状态变量的跟踪, X12 执行器输出变量与 X = b ,w,n x 被控状态变量之间是映射关系不控制，即CV =X1,唯一，系统自由度高度冗余；同时，传统汽车上的围绕着某一特定控制目标设计的稳定性控制系统相对封闭独立，当多个子系统同时作用时，由于

30、车辆的耦合特性，控制目标间普遍存 在冲突与干扰，从而难以通过传统汽车平台迁移实现轮毂电动车稳定性控制。理论上，轮毂电动汽车虽然相对于传统汽车有巨大优势，但实际由于轮毂电动汽车的相关研究与传统汽车的研究问题完全不同，因此，必须研究新的理论来支撑轮毂电动汽车操纵稳定性研究。本课题在国家自然科学基金和深圳市基础研究资助下，为上述轮毂电动汽车关键技术研究开展做了基础性探索，包括设计建立实车试验平台，进行整车复杂非线性耦合动力学仿真平台建模，围绕着4WIS、4WID轮毂电动汽车，以整车动力学控制为理论基础，以工程应用为出发点，探讨了多约束下的分配控制问题，基于全轮主动转向与转矩分配集成控制，进行轮毂电动

31、汽车操纵稳定性和控制策略研究。1.2 线控轮毂电动汽车国内外的研究概况 布式驱动轮毂电动汽车在稳定性、主动安全控制和节能方面相对于传统汽车具有显著的控制优势，因此国内外针对分布式驱动电动汽车进行了大量的系统研究和实验车辆开发，为 动力学系统研究提供可靠平台。（图片，各大车辆）最早的轮毂电机驱动电动车源于保时捷的大胆设想，其取消原有的发动机与动力传动系 统，采用两个内置前轮的电机直接驱动。如今，轮毂电动汽车在电子稳定控制、系统集成等 方面有了长足进步。例如，针对不同应用需求，日本庆应义塾大学分别开发了高速型、高动 力型二款8轮独立驱动轮毂电动汽车 “Ellica”5，如图2（a），进行了一系列的

32、牵引控制研究； 三菱汽车（Mitsubishi Motor）公司则利用轮毂电机力矩独立控制的特点进行动力学稳定性控制，推出了MIEV概念车6；东京大学的Hori 教授7,8则基于现有量产车开发了四轮驱动的概念电动车“UOT Electric March”；东京农工大学的永井正夫教授9所领导的实验室为研究DYC与SBW集成控制，提出了轮毂电机驱动的 NOVEL系列微型车技术解决方案；美国通用公司10相续开发了后驱轮毂电机驱动雪弗兰轻型概念车Hy-wire和氢燃料轮毂电动汽车Seque， 如图2（b）；美国俄亥俄州立大学11在所开发的四轮轮毂电动汽车上，重点研究驱动和再生制动模式下的力矩分配和节能

33、控制。除了民用领域外，通用公司开发了新一代多轮驱动“悍马”10 永磁同步电机非线性模型实时系统的建立与半物理仿真 车，极大的改善了车辆的经济性和动力性，减小补给压力。为保持舒适性和操纵性，通过对驱动、转向、制动、悬架在车轮单元的集成，VOLVO12和法国米其林13分别推出了提出的ACM（Autonomous Corner Module）和active wheel motor概念车轮总成。由此可见，轮毂电动汽车已被世界视为未来电动汽车领域发展的重要方向。（a）（b）（c）图2 典型分布式驱动轮毂电动汽车国内针对分布式驱动电动车也开发了相应的试验平台并进行了相应的稳定性、平顺性等研究。例如，同济大

34、学14相继开发了春晖一号、春晖二号和春晖三号等分布式驱动电动车； 清华大学15,16针对城市个人短途工况设计了满足相应实用性和经济性要求的微型分布式驱动电动车“哈利”；吉林大学17,18为了进行线控轮毂电动车集成控制方法研究，设计了全线控轮毂电动车平台，如图2（c）；此外，上海交通大学19、山东大学20等大学及科研所也针对分 布式驱动电动车研究进行了实验样车开发。综上所述，虽然目前国外不少机构针对轮毂电动汽车不同领域研究提出的一些产品级解决 方案，但是实际上这种汽车的结构极其复杂，迫于安全和可靠性的原因，现阶段还远远达不到 的民用化水平。相比之下，我国对于四轮驱动轮毂电动汽车研究与国外都存在着

35、较大的技术差 距，总体上还处于起步阶段。因此，要充分发挥四轮独立驱动、四轮独立转向轮毂电动车拥有 的驱动结构优势，还需在稳定性与节能控制等方面进行深入的理论研究和实践探索，开展细 致、深入、系统的研究，这将对轮毂电动车稳定性电控系统产生深远影响，对未来智能汽车形式都将起到推动性意义。1.3 课题相关研究内容概述 1.3.1 轮毂电汽车仿真平台建模研究现状 车辆系统是各构件通过各种约束形成的刚柔混合多体系统。车辆动力学建模研究始于 19 世纪 50 年代2, 3，普遍将车辆模型进行线性化处理，并将参数尽量简化，最具代表11 永磁同步电机非线性模型实时系统的建立与半物理仿真 性的是线性二自由度单轨

36、模型，通过限制侧向加速度，轮胎侧偏角与侧向力呈线性关系。在该模型仅适用于低速线性工况，适用范围较窄。为了开展非线性仿真控制研 究，主要表现在对轮胎线性侧偏力假设进行改造。然而，此种模型未能考虑到车辆因俯仰、侧倾等运动造成的轴荷转移，故而也不能用于极限临界工况的稳定系控制系统开发中。目前，在车辆动力学建模仿真中，通常有二种趋势：其一，求解描述车辆性能的运动微分方程，着重从运动机理上进行建模，以仿真软件 simulink、mathcad 为代 表。其二，通过多体系统动力学进行动力解析，将动态系统看作有铰链和内力链接的刚体，以仿真软件 Adams/Car、DADS、RecurDyn、CarSim 等

37、，此类模型以丰富的试验数据为基础，能有效地降低开发周期和成本，然而，源代码大多不是开源，在定性理论研究方面存在不足。因此，需要建立车辆数学解析模型。 在国外，较为具有代表性的多自由度动力学模型，以 D.J.Segal建立的十五自由度模型和美国密西根大学建立的十七自由度模型为代表。国在内，吉林大学动态模拟国家重点实验室利用统一轮胎模型建立的十二自由度汽车模型，是目前国内乃至国际权威的汽车模型之一。（见小论文） 针对轮毂电动汽车，日本东京大学9和东京农工大学10则均采用了七自由度 4WID 车辆模型；杨福广11、宗长富等12基于车辆稳定性控制需求，建立了 4WID/4WIS 车辆模型，但是上述模型

38、均未考虑车辆的垂向运动。实际上，轮毂电机安装使整车簧下质量增加明显，会恶化汽车平顺性和动力响应品质，此时簧下质量的垂向运动对整车动力学品质的影响将是显著的。主要表现为轮毂电机使车辆簧下质量明显增加，因而会影响到转向角的动态品质，从而影响车辆的响应特性。 与此同时，代表性汽车动力学模型是根据研究的需要侧重于车辆的某些性能而建立的，多是基于传统汽车，轮毂电机普遍简化扭矩特性曲线（刘明春）或者功率 map 图形式，这种简化等效模型固然能降低仿真计算量，同时也剔除执行器的动态响应特 性。采用了电机驱动、转向技术使得车辆对动力系统响应更加敏感，各自由度之间的耦合作用也更加强烈。这种仅考虑执行器静态约束的

39、简化模型在实际中可能存在较大的偏差， 例如电机的转矩波动对轮胎纵向力影响较大，不单影响车辆平顺性，而且在极限轮胎力下易诱发车辆失稳。12 6154永磁同步电机非线性模型实时系统的建立与半物理仿真 目前的车辆建模研究上述分析得不够充分，因此建立高冗余过驱系统动力学模型能为独立驱动模型领域作了一些必要的有益的探索工作。考虑到后去拓展研究本文建立考虑车辆垂向作用和执行器动态响应特性的 19 自由度非线性耦合车辆动力学模型。1.3.2 电动汽车操纵稳定性控制基础理论概况 车辆稳定性主要强调对车辆侧向动力学特性的控制，即通过对轮胎侧向力的合理控制，以达到期望的车辆横摆稳定性。事实上，侧向动力学是一个异常

40、复杂的非线性问题，执行器难以精确地控制侧向力，即目前尚无任何技术能够实现对侧向力的直接控制，这是困扰车辆稳定性研究的关键。幸而，车辆轮胎动力学的内在耦合特性，使得侧向力学特性与纵、垂向动力学之间耦合在一起。因此，车辆稳定性控制的关键问题，便是通过对轮胎垂向力、纵向力的合理分配，使车辆状态远离失稳边界，从而提升车辆稳定性裕度，同时增强车辆主动安全性。目前，采用的控制方法相应分为三类：主动转向控制（AWS）、侧倾刚度控制(RSC)和直接横摆力矩控制(DYC)。 AWS 作用于轮胎线性区，而在非线性区的效果并不明显。由于受到轮胎非线性饱和因素影响，其单独控制效果无法得到本质上的提升。RSC 主要利用

41、轮胎侧偏刚度与垂向力的非线性耦合关系，通过调节悬架侧倾刚度，产生期望侧倾力矩来提高操纵稳定性；该类方法严重依赖于主动或半主动悬架技术（ASS），在载荷转移明显时才具有效果4。总体上适用工况较 窄，且依赖尚未成熟主动悬置技术，应用较少。DYC 利用轮胎纵向力和侧向力间的非线性耦合关系，通过驱动或制动使各轮产生纵向力差，产生直接作用于车辆的横摆力矩，理论上适用于一切车辆的稳定性控制。得益于 DYC 控制在位姿调整的上的显著效果，该类控制方法在车身稳定性系统（ESP、VSC）得到了良好的运用，主要用于在极限工况介入提升整车安全性，逐渐成为目前车辆上主流稳定性控制系统。（插图；喻凡）13 永磁同步电机

42、非线性模型实时系统的建立与半物理仿真 DYC 已经被证明在接近附着极限时依然有较好的控制效果。传统的 DYC 是通过限滑差速器实现，结构较为复杂，相比下基于横摆力矩的直接分配控制算法，较好的迎合了分布式驱动的轮毂电动车的结构特点。基于轮毂电机的四轮驱动(4WD)的电动汽车取消了传统的动力传动系统，节省了安装空间，提高了系统效率。从车辆动力学控制角度来看，基于轮毂电机的四轮驱动的电动汽车比传统的内燃机车有两个很大的优势：一是电机扭矩的响应时间很短，扭矩的大小很精确，电机扭矩的响应时间大约是几毫秒；二是各个电机扭矩独立可控，且易于测量。利用这两个优点，就可以通过独立控制各个电机的扭矩产生纵向力的方

43、法来改变作用在汽车上的横摆力矩，提高汽车的操纵稳定性。因此，结合四轮分布式驱动轮毂电动车的驱动特点，选择 DYC 控制来解决线控轮毂电动汽车的操作稳定性问题是较为理想的选择。 本文在整车稳定性控制结构上采用典型的横摆力矩 DYC 的分层式集中控制策略，上层完成对理想运动状态追踪，下层则用于完成过驱系统分配控制问题。 1.3.3 转矩和转角协调控制研究现状 转矩和转角协调控制问题在传统汽车稳定性控制是极少被关注的问题，主要是因为传统汽车并不具有主动转向的能力，同时二侧驱动转矩始终相等。由于差速器的等扭分配和转向 梯形的约束作用，驱动系统和转向系统分别负责驱动和转向，各大子系统功能结构清晰，不 存

44、在相互干扰。由上面的车辆稳定性控制理论可知，主动转向 AWS 和 DYC 都能产生附加横摆力矩，从而使车辆具有横摆运动趋势，表现为不期望的车身的转向运动。这种差动助力转14 永磁同步电机非线性模型实时系统的建立与半物理仿真 向效应和附加横摆力矩，对车辆的稳定性和转向特性都有较大影响。此时，轮毂电机拖动的车轮不仅是驱动系统的执行器，更是转向系统的重要组成部分，造成系统的结构属性模糊。 此外，轮毂电动汽车的非线性耦合作用导致基本不可能通过对二者单独控制实现对理想状态 的追踪。 当然，传统的 DYC 未直接利用轮胎侧偏力学特性，横摆力矩控制不符合转向运动的基本机理，因此对于车辆侧向运动控制并非总是理

45、想，表现在车辆纵向速度的波动，会削弱驾驶员的操纵信心和驾乘舒适性。于是，为兼顾平顺性，出现了将各种系统进行集成的车辆动力学横摆稳定性控制，其中主要是主动转向与直接横摆力矩的集成21。轮毂电动汽车通过差动驱动的方式实现 DYC 控制，不产生纵向速度损失，介入较传统差动制动更为温和；同时， AWS 可以缩短横向加速度及偏转运动的响应时间,减小车体的侧偏角，从而提供良好的操纵性，在驾驶舒适性方面具有优势；因此针对轮毂电动汽车的稳定性控制研究集中在 AWS 和DYC 集成融合，即转向与转矩协调控制。对此，日本东京农工大学 Masao Nagai41研究了主动前轮转向（AFS）和 DYC 集成控制、主动

46、后轮（ARS）和 DYC 集成控制。论文采用模型跟踪控制方法，通过对横摆角速度、质心侧偏角期望值的跟踪，计算出所需的主动转向角和横摆控制力矩，利用前馈和反馈补偿器进行补偿。德国大陆公司42 ESC是在底盘稳定性控制系统 ESC 的基础上集成 AFS 控制， AFS 可以补偿一部分由于差动制动造成的横摆力矩，控制系统自动修正方向盘转角，减轻了驾驶员负担并保证了稳定性。美国俄亥俄州立大学 Junmin Wang43研究了四轮独立驱/制动、四轮独立转向车辆的集成控制算法。该控制算法通过上层非线性滑模控制器计算出车辆理想运动所需的总纵向力、总侧向力和总横摆力矩以实现，在下层分配层通过对四轮转角和四轮驱

47、制动力矩分配满足所需的总的力和总的横摆力矩的需要。英国利兹大学 Crolla44运用滑模控制理论设计集成控制器对车辆 AFS 和动力学稳定性控制（DSC）进行集成控制，减小两子系统之间的功能冲突、提高汽车底盘集成控制性能。国内上海交通大学喻凡教授45课题组，提出了广义执行器-受控对象的车辆底盘集成控制 体系，对车辆底盘集成控制展开了深入研究，采用滑模控制方法、鲁棒控制方法进行了车辆纵向滑移率（TCS）集成控制研究。山东大学的杨秀建46等人采用线性二自由度模型设计了主动前轮转向和主动制动最优保性能集成控制算法，提高考虑侧偏刚度不确定性下的极限工况下汽车稳定。山东大学杨福广20分别采用模糊最优控制

48、方法和模糊控制方法设计了 AWS和 DYC 集成控制算法，并进行了样机的试验。清华大学刘力47等采用广义预测理论设计了15 永磁同步电机非线性模型实时系统的建立与半物理仿真 AFS 和 DYC 集成控制算法，研究了不同模式间的平滑切换和随车辆状态反馈变化的控制权重调节问题。吉林大学朱冰48等人设计了主动转向与主动制动集成控制的多变量频域控制方 法；吉林大学宗长富教授49基于模型预测控制理论对 AWS 和主动制动进行了集成控制研究。综上所述，针对转角和转矩的集成控制，国内外都已经进行深入探索，并取得了一定研究成果，可为本课题提供重要借鉴。但是，此类研究成果多是基于单独 AFS 或者 ARS 与D

49、YC 的集成，少有对 4WS 与横摆力矩的集成控制研究，在全轮主动转向与横摆力矩控制集成研究存在较大空白。四轮主动转向对车身姿态微调上存在较大的优势，单纯的前轴或者后轴与转矩的集成控制，显然造成了一定的执行资源的浪费，未能充分发掘轮毂电动车在稳定性控制上的潜力。因此，本课题将在车辆动力控制基础上，开展全轮转向与全轮驱动协调集成控制研究。 1.3.4 稳定性控制结构策略研究现状 通过集成控制完成多系统协调是运动控制的重要共识，目前应用于汽车底盘控制的集成控制测策略主要有三种：基于信息共享的集成控制策略、基于仲裁协调的集成控制策略、基 于子系统功能融合的集成控制策略。 1) 基于信息共享的集成控制

50、策略 早期的集成控制主要利用信息共享实现，其特征在于各大子稳定控制系统的决策器相互 独立，通过总线相关联后，利用信息共享达到一定的集成效果。例如，丰田的 Kizu22等人通过分析汽车各子系统间的耦合关系，推出概念车 FXV-II ( Future experimental Vehicle-II )，通过信息共享实现了主动空气悬架、主动后轮转向、带限滑差速的全时四驱控制与牵引力控制、防抱死制动系统、自动巡航与跟随的集成控制。同样，丰田的 Sato23-25等人提出交互式自适应控制的概念，使用所有相关系统的状态计算特定系统的目标值，并在 CELICA 和 SOARER 上进行了应用。利用交互式自适

51、应策略，三菱的 Mitamura26等人实现了对制动和转向集成。Taheri27等在设定 ABS 最优滑移率时考虑了车轮转角的影响，以改善强制动大转角时车辆稳定性。2)基于仲裁协调的集成控制策略利用仲裁策略与算法对子系统进行协调的集成策略，多通过设置额外的协调控制器实现。例如，Guvenc 28等对主动转向和差动制动的协调控制做了初步研究，二者共同作用16 永磁同步电机非线性模型实时系统的建立与半物理仿真 时，通过给定的分配系数将附加横摆力矩分配至两个系统。Delphi 的 Bedner29等通过设置Supervisory 控制单元对 4WS 与 VSE 进行了协调控制，其策略为优先使用主动转

52、向干预，当主动转向能力不足时使用主动制动进行干预。Ford 的 Burgio30等利用系统反馈线性化方法对 AFS 和 ESP 进行协调控制，当 AFS 达到饱和后，剩下的稳定横摆力矩由主动制动来实现。同济大学姜炜31等根据侧向加速度划分 AFS 和 DYC 的作用域，随着侧向加速度的增大，依次采用 AFS 单独作用、AFS 与 DYC 共同作用、DYC 单独作用。余卓平32等设定多个行驶工况并通过分析规定各工况下使用的执行器对 AFS 与 ESP 进行了集成，当 AFS 与 ESP 共同作用时，通过依据工况确定的权重系数计算各自应承担的控制量。Hwang33采用侧偏角相平面图判断当前车辆状态

53、，当车辆处于稳定范围内时使用 AFS，当车辆即将失稳时同时使用AFS 与 ESP。Sunderland 大学的 Rengaraj34等研究了 AFS、ASS、ESC 和可变驱动分配系统 (VTD) 的集成控制系统，研究分析了子系统各自的工作区域，通过基于模糊规则的协调控制器协调各子系统。3)基于子系统功能融合的集成控制策略将子系统的车辆状态功能集成到独立的集成控制器协调集成方法，只保留执行器的执行 分配控制功能，子稳定系统的决策功能集中到了集成控制中。通用公司的 Fruechte35等人就提出了基于功能集成的汽车转向、制动、动力传动和悬架的集成控制概念。Boada36等不 依赖车辆模型，通过建

54、立质心侧偏角、横摆角速度与附加稳定横摆力矩、主动前轮转角间的 模糊规则计算期望的控制输入。类似的，杨福广20,37等针对低附着高速工况下的操纵稳定性， 设计采用模糊控制集成器实现了 AFS 与 DYC、ARS 与 DYC 的集成控制。上海交通大学喻凡38 等人基于时变线性二自由度车辆模型设计了 MPC 控制器。吉林大学杨建39森通过建立七自由度车辆模型，以车辆前轮转角与四个车轮转矩为控制变量，直接应用模型预测控制建立汽车 集成控制算法。武建勇40等设计了车身侧偏角滑模观测器，基于鲁棒模型匹配控制对 AFS 与DYC 进行集成。由于信息共享式集成保留了各子系统的完整结构，集成程度较低，总体上对提

55、高汽车稳定性作用有限，基本被边缘化。相比之下，基于仲裁控制策略，采用自底向上（Bottom- up）、针对特定硬件配置的设计思路，但集成控制带来的性能提升仍然有限。这种弊端主要表现在利用规则和逻辑判断以决定执行器的选择和控制量的分配方式，难以适应汽车行驶复杂的动态过程，牺牲了执行器的独立性。鉴于以上原因，目前第三种集成控制策略成为研究热点。由于采用自顶向下（Top-down）的开发思想，算法集成度高，并在设计初始便充分考17 永磁同步电机非线性模型实时系统的建立与半物理仿真 虑了整车的动为学特性，所以理论上可以达到全局最优的动力学响应，这种控制架构是未来汽车底盘控制系统的发展趋势。这种设计模式

56、的复杂度非常高，在加大中央控制器计算负担的同时，也牺牲了算法的鲁棒性和可扩展性。 为了简化集中式控制的实现难度，行业普遍的做法是采用自上而下的设计模式将集成控 制器进行功能上的划分，通过分层式架构实现与集中式控制方法等同的整体控制效果。因此 本课对轮毂电动汽车采用基于 DYC 的分层式集成控制结构，通过上层运动跟踪，下层控制分配的总体控制策略，实现整车操纵稳定性控制。此外，利用分层式控制结构，使得后续轮毂电动汽车研究具有拓展性，便于开展兼顾多目标的运动学控制。 1.4 主要内容和特色 本文主要特色为建立了考虑车辆垂向作用的 19 自由度非线性耦合轮毂电动汽车仿真平台，并充分考虑了执行器动态响应特性；为整车控制设计了基于 DYC 的分层集中式稳定性控制策略，将上层控制与下层执行有效隔离，便于在同一控制框架下实现不同的目标的控制需求研究；立足于工程应用实践，基于滑膜变结构控制设计稳定性控